Lautsprecher messen: eine Anleitung für Einsteiger

Kurz gesagt: Die Berechnung sagt dir, wie dein Lautsprecher klingen sollte. Die Messung sagt dir, wie er wirklich klingt. Du brauchst nur ein Messmikrofon für etwa 100 €, einen Computer und ein kostenloses Programm. Am wichtigsten sind drei Messungen: der Frequenzgang jedes Chassis im fertigen Gehäuse, die Impedanz des fertigen Lautsprechers und eine Kontrolle, nachdem die Frequenzweiche angeschlossen ist.

Warum überhaupt messen

Jedes Programm für den Lautsprecherentwurf, auch Loudsmith, arbeitet mit einem Modell. Das Modell beruht auf den Herstellerdaten des Chassis und auf physikalischen Formeln. Die Wirklichkeit weicht aus mehreren Gründen davon ab:

Die Chassisparameter streuen. Zwei Exemplare desselben Chassis unterscheiden sich in der Resonanz und in weiteren Parametern oft um 10 bis 20 %. Außerdem werden die Katalogdaten meist anders gemessen, als du das Chassis einsetzt.
Das Gehäuse ist nicht ideal. Dämmmaterial, Versteifungen, Undichtigkeiten und der Platz, den die Chassis einnehmen, verändern Volumen und Abstimmung.
Kanten und Form des Gehäuses verändern den Klang in Mittel- und Hochton auf eine Weise, die sich nicht genau berechnen lässt.

Ein Beispiel aus der Praxis: Der dänische Entwickler Troels Gravesen hat dasselbe Bassreflexgehäuse ohne Dämmung und mit dichter Füllung gemessen. Die Abstimmung sank von 37 Hz auf 33 Hz, allein durch das Dämmmaterial. Bei seinen fertigen Konstruktionen, die meist kräftig bedämpft sind, liegt die tatsächliche Abstimmung im Mittel etwa 10 % tiefer, als die bloße Formel ergibt. Bei SEAS-Bausätzen und Konstruktionen mit üblicher Dämmung trifft die Berechnung von Loudsmith auf wenige Prozent genau. Die Messung zeigt dir, wo dein Lautsprecher liegt.

Die gute Nachricht: Messen ist heute weder teuer noch kompliziert.

Was du brauchst

Was	Wofür	Preis
USB-Messmikrofon, zum Beispiel miniDSP UMIK-1 oder Dayton UMM-6	Frequenzgang, mit Kalibrierdatei	etwa 100 €
Computer mit dem Programm REW (Room EQ Wizard) oder die Seite Lautsprechermessung bei Loudsmith	spielt das Testsignal ab und wertet es aus	kostenlos
Verstärker und Kabel	betreiben das Chassis während der Messung	hast du schon
Mikrofonständer	feste Position des Mikrofons	10 bis 20 €
Impedanz-Messschaltung: ein Widerstand von 100 Ω und eine Soundkarte mit Ein- und Ausgang, oder das fertige Gerät Dayton DATS	Impedanz, Abstimmung des Reflexrohrs, Chassisparameter	10 bis 150 €

Das Mikrofon im Handy reicht für die Messung eines Lautsprechers nicht. Es ist vor allem im Bass und in den Höhen ungenau. Für einen groben Vergleich von Plätzen im Zimmer kannst du es im Raumplaner verwenden.

Wie die Messung des Frequenzgangs funktioniert

Das Programm spielt über den Lautsprecher einen ansteigenden Ton vom tiefsten Bass bis zu den höchsten Höhen. Das Mikrofon nimmt ihn auf, und das Programm vergleicht, was es abgespielt und was es gehört hat. Das Ergebnis ist eine Kurve, die zeigt, wie laut der Lautsprecher jeden Ton spielt. Ideal wäre eine gerade Linie.

Das Problem: Das Mikrofon hört nicht nur den Lautsprecher. Es hört auch die Reflexionen von Boden, Decke, Wänden und Möbeln. Sie machen aus der Kurve einen Kamm aus Spitzen und Senken, die mit dem Lautsprecher nichts zu tun haben.

Die Lösung ist ein einfacher Trick: das Zeitfenster. Der Direktschall des Lautsprechers kommt als Erstes am Mikrofon an. Die Bodenreflexion kommt einige Millisekunden später, weil sie einen längeren Weg zurücklegt. Das Programm verwendet nur den Anfang der Aufnahme, bevor die erste Reflexion eintrifft, und verwirft den Rest. So bekommst du eine Messung wie in einem großen schalltoten Raum.

Das hat einen Preis. Je kürzer das Fenster, desto schlechter erfasst es tiefe Töne. Als Faustregel gilt: Die tiefste Frequenz, die das Fenster zuverlässig erfasst, ist 1 geteilt durch die Fensterlänge. Ein Fenster von 5 ms gilt also ab etwa 200 Hz aufwärts. Deshalb misst man den Bass anders, im Nahfeld.

Schritt 1: Messung aus der Entfernung (Mittel- und Hochton)

Stell den Lautsprecher in die Mitte des Zimmers, so weit wie möglich von den Wänden entfernt. Am besten auf einen Ständer oder Stuhl, damit der Hochtöner etwa 1 m hoch oder höher sitzt.
Stell das Mikrofon in 50 cm bis 1 m Abstand auf, auf Höhe des Hochtöners oder zwischen den Chassis. Misst du ein einzelnes Chassis, dann auf seiner Achse.
Stell die Lautstärke so ein, dass der Test deutlich, aber nicht unangenehm klingt. In einem Meter sind das etwa 80 bis 85 dB.
Miss jedes Chassis einzeln und bewege dazwischen nichts. Weder Mikrofon noch Lautsprecher dürfen sich bewegen, sonst stimmt der zeitliche Bezug zwischen den Chassis nicht, den die Frequenzweiche braucht.
Wenn du die Weiche gründlich entwerfen willst, miss auch außerhalb der Achse: 15°, 30°, 45° und 60° zur Seite. Das zeigt, wie der Lautsprecher in den Raum abstrahlt, nicht nur direkt zu dir.

Die Seite Lautsprechermessung berechnet aus dem eingegebenen Abstand und der Höhe selbst, wann die Bodenreflexion ankommt und ab welcher Frequenz die Messung gilt.

Schritt 2: Nahfeldmessung (Bass)

Hältst du das Mikrofon ganz nah an die Membran, ist ihr Schall so stark, dass die Reflexionen des Zimmers dagegen untergehen. So misst man den Bass ohne Zeitfenster.

Platziere das Mikrofon 1 bis 2 cm vor der Mitte der Tieftönermembran, ohne sie zu berühren.
Dreh die Lautstärke herunter. So nah ist der Schall sehr laut, und das Mikrofon könnte übersteuern.
Bei Bassreflex miss im Nahfeld auch die Öffnung des Reflexrohrs, bei einer Passivmembran deren Membran.
Das Programm addiert Reflexrohr und Chassis entsprechend ihrer Fläche. Eine größere Fläche strahlt mehr ab, deshalb wird das Reflexrohr beim Addieren mit dem Flächenverhältnis umgerechnet.

Die Nahfeldmessung ist ungefähr bis zu der Frequenz genau, bei der die Wellenlänge ähnlich groß ist wie die Membran. Bei einem 17-cm-Chassis sind das einige hundert Hertz. Das reicht, weil darüber bereits die Messung aus der Entfernung gilt.

Schritt 3: Beide Messungen zusammenführen

Den Bass aus dem Nahfeld und Mittel- und Hochton aus der Entfernung fügt man zu einer Kurve zusammen. Verbunden werden sie in dem Bereich, in dem beide Messungen gültig sind, typischerweise zwischen 200 und 400 Hz. Die Nahfeldmessung erfasst nicht, dass die Schallwand den Bass ab einer bestimmten Wellenlänge nicht mehr nach vorn lenkt. Das nennt man Baffle Step: Der Bass fällt um bis zu 6 dB ab, wenn die Wellenlänge größer ist als die Schallwand des Lautsprechers. Beim Zusammenführen wird der Bass aus dem Nahfeld deshalb entsprechend der Schallwandbreite korrigiert.

Bei Loudsmith passiert das automatisch. Das Ergebnis speicherst du als FRD-Datei, also eine Textdatei mit Frequenz, Pegel und Phase, die VituixCAD, XSim und Loudsmith lesen können.

Schritt 4: Impedanz und Abstimmung des Reflexrohrs

Die Impedanz zeigt, welchen Widerstand das Chassis im Gehäuse dem Strom bei verschiedenen Frequenzen entgegensetzt. Auf den ersten Blick wirkt sie trocken, aber sie ist die beste Kontrolle, ob das Gehäuse wie berechnet geworden ist.

Ein geschlossenes Gehäuse hat eine Spitze. Ihre Frequenz ist die Resonanz des Chassis im Gehäuse, fc. Liegt sie deutlich höher als in der Berechnung, ist das Gehäuse kleiner oder schwächer bedämpft, als du denkst.
Bassreflex hat zwei Spitzen und dazwischen ein Minimum. Das Minimum ist die Abstimmung des Reflexrohrs, fb. Liegt sie höher als gewünscht, verlängere das Rohr. Liegt sie tiefer, kürze es. Ein Tipp: Mach das Rohr zuerst etwas länger und kürze es schrittweise, das ist einfacher als Verlängern.
Eine Passivmembran verhält sich ähnlich wie Bassreflex. Die Abstimmung änderst du, indem du Gewicht auf der Passivmembran hinzufügst oder wegnimmst.

Die Impedanz wird als ZMA-Datei gespeichert. Für eine passive Weiche ist sie unverzichtbar, weil die Bauteile der Weiche auf die tatsächliche Impedanz des Chassis reagieren, nicht auf seine Nennimpedanz von 4 oder 8 Ω.

Zum Messen der Impedanz reicht eine einfache Schaltung: ein Widerstand von 100 Ω in Reihe mit dem Chassis und eine Soundkarte, die die Spannung vor und hinter dem Widerstand misst. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung gibt es in der Hilfe von REW. Bequemer ist das fertige Gerät Dayton DATS, das Impedanz und Chassisparameter auf Knopfdruck misst.

Schritt 5: Chassisparameter

Wenn du schon vor dem Bau des Gehäuses sicher sein willst, miss die Thiele-Small-Parameter des Chassis selbst. Das Verfahren mit Zusatzmasse und die Formeln findest du im Artikel Chassisdaten. Lass ein neues Chassis zuerst einige Stunden Bass bei mittlerer Lautstärke spielen. Die Aufhängung lockert sich dabei etwas, und die Resonanz sinkt. Deshalb misst man ein neues Chassis erst, wenn es eingespielt ist.

Schritt 6: Kontrolle des fertigen Lautsprechers

Wenn die Frequenzweiche angeschlossen ist, miss den ganzen Lautsprecher aus der Entfernung auf der Achse und unter einigen Winkeln. Vergleiche die Kurve mit dem Entwurf. Weicht sie in einem breiteren Bereich um mehr als 1 bis 2 dB ab, steckt irgendwo ein Fehler: ein verpolt angeschlossenes Chassis, ein Bauteil mit anderem Wert oder versetzte Chassis.

Die Polarität prüfst du ganz einfach: Bei der Trennfrequenz sollten sich die Chassis addieren. Ist dort eine tiefe Senke, ist ein Chassis wahrscheinlich verpolt.

Die häufigsten Fehler

Übersteuertes Mikrofon oder übersteuerte Soundkarte. Die Kurve ist dann seltsam flach oder voller Unsinn. Dreh leiser.
Fehlende Kalibrierdatei des Mikrofons. Jedes Messmikrofon hat eine eigene Datei zu seiner Seriennummer. Ohne sie können die Höhen um einige dB verschoben sein.
Mikrofon zwischen den Messungen der Chassis bewegt. Die Weiche rechnet dann mit einem falschen Timing.
Zu langes Fenster. Die Kurve ist in Mittel- und Hochton durch Reflexionen zerklüftet. Verkürze das Fenster.
Lautsprecher auf dem Boden oder an der Wand. Die Reflexion kommt zu früh, und das Fenster muss sehr kurz sein.
Störgeräusche während der Messung. Kühlschrank, Autos vor dem Fenster oder Schritte zeigen sich im Bass. Miss in Ruhe.
Kurven mit unterschiedlicher Glättung vergleichen. Eine Glättung auf 1/3 Oktave verbirgt, was 1/24 Oktave zeigt. Vergleiche Gleiches mit Gleichem.

Wie Loudsmith die Messungen nutzt

Im Schritt Chassis lädst du zu jedem Chassis seine FRD- und ZMA-Datei. Die App rechnet dann statt mit dem Modell mit der echten Messung.
Die Weiche entwirft sie nach den gemessenen Kurven, einschließlich des echten Verhaltens an den Gehäusekanten und der echten Impedanz.
Bei aktiver Trennung erzeugt sie DSP-Filter genau für deine Chassis, zum Beispiel für den Hypex FusionAmp.
Die Rohrabstimmung aus der Impedanzmessung kannst du zurück in den Entwurf eingeben, und die App berechnet die Rohrlänge neu.

Kleines Wörterbuch

Frequenzgang: eine Kurve, die zeigt, wie laut der Lautsprecher die einzelnen Töne spielt.
Zeitfenster (Gating): Es wird nur der Anfang der Aufnahme verwendet, bevor die Reflexionen eintreffen.
Nahfeldmessung (Near-Field): das Mikrofon dicht an der Membran, damit der Raum keinen Einfluss hat.
Impedanz: der Widerstand, den der Lautsprecher dem Verstärker entgegensetzt, bei jeder Frequenz ein anderer.
FRD und ZMA: Textdateien mit dem gemessenen Frequenzgang und der gemessenen Impedanz.
Baffle Step: ein Bassabfall um bis zu 6 dB, wenn die Schallwand des Lautsprechers den Schall nicht mehr nach vorn lenkt.
Abstimmung des Reflexrohrs (fb): die Frequenz, bei der das Rohr am meisten abstrahlt und sich die Membran am wenigsten bewegt.
Kalibrierdatei: die Korrektur der Abweichungen eines bestimmten Mikrofonexemplars.